基于课程标准之高中物理大概念解读与建构

陈克超 冉 洁 戴 浩

(重庆市长寿中学，重庆 401220)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提出，“进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实.”[1]大概念一词虽然只出现了这一次，却揭示了大概念是物理课程改革与创新的着力点，并处于核心位置.具体体现为：课程内容呈现方面，从以知识内容为线索的呈现形式改变为以主题为线索的呈现形式；从强调知识的逻辑与内容的前后铺垫改变为强调内容的综合.课程结构方面，从直线型的知识结构改变为网络型知识结构，共分为“机械运动与物理模型”“相互作用与运动定律”“机械及其守恒定律”“曲线运动与万有引力定律”“牛顿力学的局限性与相对论初步”等20个主题，以27个教材的章节形式编排教材内容，主题名称比章节名称要笼统一些，章节中体现为小章大节的策略.可见，大概念理念渗透于物理课程与教学深处.

1 大概念的辨析

1.1 认识大概念

什么是大概念？国内外学者对大概念的理解没有形成一致性，温·哈伦等专家提出了科学教育大概念教育理念[2]，确立了课 程 内 容、教 学 法 、评 测3个维度的关联体系，是结构化、一体化教学观念的体现，又有具体的操作层面的教育理念.按照科学大概念理念可得出，大概念是有组织、有结构的知识和模型，[3]“大”是大结构、大格局，指概念所解释事物的范围与概括程度，其本质是“核心”，包括学科核心概念、共通概念与关于科学本身的概念.物理学科中的大概念不是具体的概念或规律、原理等，是能统摄大量概念的，反映物理本质的少数几个概念或思想和模型，对大量概念起着固定的联结作用，揭示概念间的纵横关系，使概念之间的能顺利地进行有效迁移，并能应用于新情境，具有较为广泛的适用性和持久的解释力.总而言之，物理大概念有如下特点：从学科地位上看，处于学科的中心，是少数几个对自然现象高度抽象后形成的核心概念；从学科内容的组织上看，有助于学习者形成专家的整体、多元、变化的思维方式，有效地对知识进行理解和迁移，不断地被论证与讨论；从学科知识结构上看，大概念和物理主题、小概念和其它大概念构建网络知识结构；从应用上看，具有普适性，与生活科技与社会相关，影响较多人群并能解释较大范围的物理事实和现象；从物理文化性，符合人们科学探索的发展逻辑.简单来说，大概念的内涵有高度抽象与统摄性，强调人的主观意识，形成整体的知识体系.

1.2 课标中的物理观念

“《标准》将物理观念分为“物质观念”“运动与相互作用观念”以及“能量观念”.这样界定的物理观念类似于国际科学教育中的核心概念、大概念”[4].由此可以看出核心素养结构体系中的物理观念是以大概念为理念为基础，提出的具有自主创新意义的理念，从而构成了物理课程体系中的重要部分——科学观念与思想中的精炼表达，与大概念对等.新课标对物理观念意义表述的主要内容有： (1) 学科核心素养的解释,“物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华：是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础”.(2) 素养水平划分，物理观念所对应的5级水平，“能从物理学的视角观察自然现象……”“形成初步的物理观念……”“具有……”“具有清晰的……”“具有清晰、系统的……”，强调“物理概念与物理规律逐步学习、系统反思和迁移应用，促进物理观念的发展与运用”.(3) 教学建议，提出“物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成”.(4) 内容选择，“注重选择与物质、运动与相互作用、能量等相关的核心内容,帮助学生从物理学视角认识自然,理解自然,形成物理观念”.课标中的物理观念是大物理观，作为思想史范畴的物理观念是远离具体知识的，是物理思想的浓缩与凝练，是与大概念对等的3个大概念——物质、运动与相互作用、功与能量.在业界，人们对物理观念的认识是为了适应广大教师的理解，将物理观念的理解简单化，包括知识、方法、情意类观念，有大有小.比如科学术语、科学概念、科学规律(规则)、科学理论、科学模型、科学器件.[5]结合其他专家提出的还有对现象形成分观念，如亚里士多德对运动和力认识的观念“有力作用物体就运动，没有力作用物体就静止”的错误的物理观念.

1.3 核心概念

美国《K12科学教育框架》和《下一代科学教育标准》(NGSS)提出确定学科核心概念的4点原则，核心概念与基本概念、主要概念、核心观点的意义相近,是位于学科中心的概念性知识,包括对重要概念、原理、理论等的基本理解和解释,这些内容是学科结构的主干部分.[5]物理核心概念是学科中心知识，在概念体系中处于中心地位.处于上位的核心概念可进行发散，若干小概念通过一定的方式，以核心概念为凝结核，联结成网络化的概念体系.核心概念的本质特征是处于中心，简单点理解就是概念体系建立与运用中的高频概念.

通过上述3个概念的辨析，大概念、核心概念、物理观念3者之间存在一定的差别，也没有绝对的从属关系，彼此之间有一定相通性和对等性.例如加速度是一个核心概念，比加速度基础的概念有时间、速度、速度变化、一维矢量运算，加以扩展深化理解与辐射，可以延伸到速度变化与速度变化率，辐射到质量、力、位移等，但它不是大概念，又不便于理解为一个观念.实际上大概念理念融合了核心概念、学习进阶理念、核心素养、深度学习等最先进教育理念，追求统一化，强调知识结构的整合与发展，构建结构化、关联性的知识体系，形成学科知识的整体图景.依据课程标准，可得出高中物理的大概念有物质、运动与相互作用、能量.

2 大概念的解构

2.1 物理大概念知识层级结构

以大概念的知识层级结构为基础，结合物理课程设计，物理大概念层级结构如图1所示.从课程论视角看，高中物理学科大概念有物质、运动与相互作用、能量，可以把这3个大概念解构为若干较大概念和小概念，实现学习者对学习进行宏观规划；从教学论视角，在实际学习中，以学生的认知水平为基础，将极其抽象的大概念解构为抽象程度较低，适合学生学习水平，凸显知识体系的较大概念、小概念，在微观的课堂教学活动中依据学习内容、学生认知水平和学习阶段，不断融入大概念思想，拓展思维的视角、广度和深度.其构建过程是科学思维、科学态度的形成过程.

图1 大概念知识层级结构图

2.2 高中物理大概念结构体系

根据物理课程标准，物理大概念有物质、运动与相互作用、能量3个大概念，而概念间的横向关联揭示出不同概念形成过程的本质有相同之处，从而可进一步抽象为上位的概念或者大概念.利用事实与现象、前概念、简单概念，对具体的事实进行抽象概括、联想、发散等思维活动，形成概念间纵向向上的关联，一步一步概括，抽象出普遍意义的大概念.解读概念的意义、思维方式和思想，从内容与形式、概念与结构、关系与意义、抽象与具体、宏观与微观等方面进行关联与重构，并完成知识结构的拓展与完善.以物质大概念为例，物质的存在形态分为：“实物”和“场”，“实物”具有的共同特点是，质量集中在某一空间，一般有比较确定的界面(气体的界面虽然模糊，但它又是由一个个实物粒子构成)；“场”是看不见摸不着的物质，可以充满全部空间，具有“可入性”.由此分为固体、液体、气体、原子、电荷、电磁场、物质波等，再从内容、描述进一步向下纵向延伸，形成如图2的物质与小概念的网络结构体系.

图2 物质结构体系

3 大概念的建构策略

3.1 理论分析

大概念的建构策略运用了学习进阶理论，运用概念发展的策略组织概念进阶，其进阶模型分为如下3种：一是爬梯子模型，概念的进阶单线式发展策略，类似于爬梯子，其缺点容易建立单一知识结构，爬到终点才能完成大概念的建构.二是拼图模型，如拼图游戏一样，概念是横向拓展模式，不是纵向发展，多个小概念关联在一起构建大概念，其缺点是过程灵活多变，不容易提供方式指导.三是螺旋式模型，如马拉松赛跑，先短程、半马到全马，同一内容反复学习，逐渐增大其深度和复杂程度，其缺点和爬梯子模型一样，学习容易脱节.

以知识逻辑编排的初高中物理教材，将物理学科按照力学、电学、热学、光学、原子物理分块进行学习，螺旋式上升.初中主要学习第一、二级，要求“能从物理学的视角观察自然现象……”“形成初步的物理观念……”.高中学习再加深拓展，又分别将力学、电学知识按照知识逻辑体系分别学习，所以整个内容显得分散、零碎.新课程体系中明显打破逻辑体系，前3个主题“机械运动与物理模型”“相互作用与运动定律”“机械及其守恒定律”，按照运动与相互作用、能量两个大概念进行学习，物质的学习是渗透在各个相关部分进行的.这种编排形式不但实现了知识结构的网络化，还结合了维果茨基的最近发展区原理，而最近发展区原理或按照一个系列逐渐进阶发展，或相互关联同一大概念下的各小概念.

例如力的概念构建，从形式和内容视角看，力的形式是指各种性质的力具有相同的本质特征，为物质性、矢量性(合成与分解、运动的合成与分解)、三要素、相互性；力的内容指有不同性质的力，为重力、电磁力、分子力、核力等.从抽象与具体视角看，力是重力、弹力、摩擦力等概念的抽象概念，各种形式的力是其具体内容.

又如磁通量是磁场与电磁感应现象的基础概念，而磁通量概念的建立基础是其所涉及的逻辑与实证的现象、实验、概念、规律等，如磁感线的概念和平面的知识，并理解概念建立的条件和意义，意义拓展为磁通密度(即磁感应强度).概念建立后，辐射到相关的概念——磁通量变化与磁通量变化率，进行拓展，同时将磁通量的理解实现了扩展和加深；运用定性分析和定量研究，理解法拉第电磁感应定律，通过感应电动势延伸到电路，通过通电导线延伸到磁场力、通过磁场力延伸到运动和相互作用、能量；区别原磁场激发的磁通量与感应电流应激的磁通量的因果关系，形成楞次定律.建立概念体系后要检验在实际中的运用，揭示自感、互感、涡流、电磁阻尼现象的本质原因，并运用于生活实际.

3.2 大概念的构建维度

(1) 逻辑体系.

物理概念的内在逻辑脉络是概念构建及延伸的核心，概念的大小在于在概念体系中的逻辑地位，知识脉络利用其逻辑关系才能形成稳定的结构关系.如对时空观的认识，时间和空间是物理世界认知的基本概念，其认知发展的过程，是物理学的发展过程的逻辑线索——从亚里士多德的时空观、到牛顿绝对时空到相对论发展.高中主要学习牛顿时空观，包含经典牛顿力学、电学中库仑定律、安培力(定律)、理想气体状态方程、光的微粒说等内容，初步形成量子论的观点.又如力物质性、相互性和瞬时作用以及对时空的积累效果，将物质、运动与相互作用和能量有机联结在一起.

(2) 模型体系.

概念及概念的关联构建了高中物理知识结构体系，而建立知识结构的目的是走向知识的运用.物理认知过程的初步是将事实、现象、过程模型化.模型的建构、理解和运用的本质是知识的理解与应用.这是大概念构建后测评与运用的重要途径.按照模型的功能和认知分为模拟式和理想化两类模型.模拟式模型有电场线、磁感线、原子结构模型，理想模型又可分为实体模型(如质点、单摆、理想气体等)、条件模型(如匀强电磁场、直导线等)、过程模型(如匀变速直线运动、匀速圆周运动、碰撞等)小球、弹簧、斜面、板块模型在高中电磁学中可以贯穿始终.例如改变斜面模型的情景和运动的初始条件，有如下多种演变：固定斜面，物体在斜面上静止、冲上斜面向上运动、沿斜面向下运动等情形；可动斜面，无论物块在斜面上静止还是运动，斜面体保持不动，物块与斜面体一起运动，物块在斜面体上运动的动量与能量问题、相对运动问题等；添加电磁场构成电磁场中斜面问题；物体恰好不脱离支持面类临界问题.巧妙地将3个大概念的内涵、特征、知识体系等应用于一个简单的模型中，还可以将模型演变成实际问题，如泥石流中石块从斜坡上滑下，概念、模型在有血有肉的生活实际问题中顿时灵动起来.

(3) 原理与方法体系.

大概念理念的目的是让学生不仅知道专家结论，还要渗透专家思维.知识结构建构过程中方法的运用，是大概念有效建构与过程优化的根本保障，才能实现从内容与形式、具体与抽象、概念与结构、关系与意义等进行重构，活化充满变数的大概念.在实际问题的解决中实现从无序到有序又回到无序思维历程，思维结构不断深入，形成质疑、批判与创造等高阶思维.比如物理中叠加原理，分为力的叠加、合运动与分运动、功的叠加、电场的叠加、磁场的叠加、电势的叠加、波的叠加、(量子叠加)，一维的叠加到二维的叠加，其本质是物理与数学的交融，满足数学上线性系统，包括代数方程、线性微分方程都可以使用叠加原理，也由此延伸到系统理论.再如黑箱问题改变我们通常的通过情景、过程展示来问题讨论的思维习惯，是根据其功能或者输出信息来认识未知系统的方法，由于其开放性特征能很好促进学生发散性思维训练，体现为“透过现象看本质”的哲学思想.教材中有用多用电表探索黑箱问题的内容，黑箱问题还可以用于探索其它物理问题，认识电场的性质，可以用实验展示：将静电离子球遮盖起来，将一根没有通电的荧光灯管放在静电离子球附近，静电离子球通电后，附近的灯管会发亮；又如探索原子结构，原子正如一个黑箱，利用α粒子轰击金箔实验，输入信息是高能粒子，输出的信息是原子对α粒子作用后反映出的现象，对输入输出信息进行分析猜想，再进一步用实验验证猜想并得出结论；另外还有力学黑箱问题、光学黑箱问题、传感器等.

运用大概念进行组织教学，能科学、合理地链接离散的事实、技能，使课程知识结构化与统一化，有利于提高学生元认知水平，实现学生学习的组织结构化、知识有效迁移与学以致用.这正是新课程改革的目标体现，实现课程一体化建设，强调学科知识的连续性和学科间的关联性，优化的知识结构体系，促进学生的深度学习，高效地发挥“整体大于部分之和”.